Pengaruh Diameter Katoda pada Sensitivitas Pengukuran Gradien Kecepatan dengan Metode Polarografi | Sukamta | Jurnal Semesta Teknika 762 2293 2 PB
JURNAL SEMESTA TEKNIKA
Vol. 11 No. 2 (November 2008): 143-152
143
Pengaruh Diameter Katoda pada Sensitivitas Pengukuran Gradien Kecepatan dengan
Metode Polarografi
(Effect of Cathode Diameter on Velocity Gradient Measurement Sensitivity Using Polarography Method)
SUKAMTA
A BSTRACT
Wall velocity gradient measurement using polarography gives very accurate output
due to the absence of problem in fluid flow. Therefore this experiment is highly
recommended. Based on the polarogram resulted in the polarography method, the
potential that has to be applied to both electrode is 0.25 – 0.75 Volt, whilst in the
experiment 0.45 is applied. Calibration has been done to single phase flow, by
measuring as a result of by friction between wall and current flow through electrode
at constant flow rate. The ΔP data are used to determine τ. Relation plot between τ
(resulted from ΔP measurement) and current can be obtained from the data
acquisition device. The result of this research shows that the value of wall shear
stress (as velocity gradient) is influenced by the increase of flow rate. Whilst
measurement of wall shear stress shows that the cathode area gives effect on the
sensitivity of the measurement, a small cathode results in better shear stress data
measurement (more sensitive). In this research the best wall shear stress was resulted
in cathode with diameter d=0.2 mm.
Keywords: polarography, electrochemical, cathode, gradient, flow
PENDAHULUAN
Analogi
Reynold
menyatakan
tentang
hubungan antara perpindahan momentum
dengan perpindahan massa, yang pada dasarnya
untuk mengamati prilaku transfer panas
konvektif yang dapat dilakukan dengan
berdasar pada pola aliran, terutama pada daerah
lapis batas. Untuk fluida Newtonian, aliran
fluida dikendalikan oleh persamaan NavierStoke, dengan solusi analitik yang pada
umumnya sulit diselesaikan. Dalam pengukuran
di bidang mekanika fluida, aplikasi teknik
gesekan kulit telah diperkenalkan oleh Hanratty
(1969) dan Hanratty (1983), dan telah
digunakan dan dikembangkan oleh banyak
peneliti untuk berbagai tujuan. Teknik ini
diturunkan dari analisis elektrokimia yaitu
polarografi, yang didasarkan pada pengukuran
koefisien perpindahan elektroda dalam suatu
difusi yang terkendali.
Pengukuran gradien kecepatan dinding dengan
teknik polarografi akan memberikan hasil yang
sangat cermat karena tidak menimbulkan
gangguan pada aliran fluida. Hal ini disebabkan
karena pengindera yang digunakan adalah
mikro probe yang dipasangkan menempel rata
pada permukaan benda padat. Oleh karena itu,
cara eksperimen menjadi salah satu pilihan
untuk mencari jawabannya, dan teknik
polarografi dapat memberikan hasil yang
akurat.
Penelitian ini mempunyai tujuan untuk
mendapatkan data eksperimen mengenai
pengaruh diameter katoda terhadap sensifitas
pengukuran gradien kecepatan dengan metoda
polarografi.
TINJAUAN PUSTAKA
Dalam penelitian yang dilakukan oleh Indarto
(1995), metoda elektrokimia digunakan untuk
pengukuran gradien kecepatan di dinding
saluran. Selanjutnya, bila besaran ini dikalikan
viskositas dinamik fluida yang mengalir, akan
didapat gesekan dinding. Pengukuran dilakukan
pada aliran gas cair searah ke atas dalam
saluran vertikal dengan diameter 12 mm. Fluida
gas berupa nitrogen dan cairannya adalah
saluran ferri-ferrocyanida dan KCL dalam air.
Elektrode dibuat dari platina dengan
144
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
penampang segi empat yang dimensinya (0,1
1) mm2. Dengan menggunakan dua buah
elektroda identik yang dipisahkan dengan pita
isolator tipis, arah aliran di dinding setiap saat
dapat diketahui. Gradien kecepatan diukur
mulai dari aliran gelembung, aliran kantung,
dan aliran film. Hasil pengukuran ini juga
dipakai untuk karakterisasi aliran dua fase
searah ke atas. Kalibrasi dilakukan pada aliran
fase tunggal cair, dengan cara mengukur
perbedaan tekanannya. Dengan menggunakan
dua elektrode tunggal berjarak 0,55 m searah
dengan aliran, pengukuran kecepatan sebuah
kantung gas dapat dilakukan dan hasilnya
sesuai dengan korelasi Nikline.
Metoda polarografi yang didasarkan pada
teknik gesekan kulit dan dikenal juga sebagai
teknik elektrokimia, merupakan metoda
pengukuran yang sangat bermanfaat di bidang
tribometri, seperti menentukan besarnya
gradien kecepatan dinding dari suatu aliran
fluida yang mengalir melalui benda padat. Di
dalam kasus perpindahan panas konvektif,
besarnya gradien kecepatan dinding diperlukan
untuk menghitung laju perpindahan panasnya,
didasarkan pada analogi Reynold. Untuk
melakukan pengukuran dengan metode ini,
diperlukan kanal hidrolik (disebut juga kanal
hidrodinamik) dengan fluida yang mempunyai
karakteristik tertentu. Teknik ini sudah terbukti
sangat unggul, karena instrumentasinya tidak
menimbulkan gangguan pada aliran fluida
(Paryatmo, 2004)
Penggunaan metode electrochemical pada zat
cair yang mengalir di dalam saluran pipa
horisontal pernah dilakukan oleh Hanratty dan
Reiss (1962), Cognet, dkk. (1977). Larutan
polarografi yang digunakan harus fluida
Newtonian dengan memilki sifat tertentu.
Fluida harus beraksi secara elektrokimia pada
suatu beda tegangan di mana reaksi lain tidak
terjadi. Reaksi kimia harus reversible dan
berlangsung cepat serta larutan fluida harus
memiliki konstanta laju reaksi yang tinggi. Di
samping
itu
juga
disyaratkan
dapat
menghasilkan arus listrik maksimum untuk
jumlah minimum ion yang terangkut. Larutan
juga harus stabil dengan polarogram yang
memiliki tingkat batas jelas dan tidak
menghasilkan pengaruh negatif pada elektroda
atau pada sistem, seperti meracuni probe atau
menyebabkan korosi. Larutan juga harus mudah
digunakan dalam aliran ulang, tidak beracun,
tidak mudah terbakar dan mudah dalam
penyimpanannya. Tambah lagi, larutan ini
harus mengandung ion yang non reaktif yang
menghilangkan efek migrasi. Untuk menjamin
respon frekuensi yang baik, koefisien fifusi
harus besar tanpa membiarkan terjadinya
lapisan difusi tebal yang menutupi.
Anoda dari bahan platinum yang mempunyai
bidang permukaan yang luas dan digunakan
sebagai potensial acuan, ditempatkan di dalam
reservoar dan dijaga tetap pada suatu potensial
sebesar – 4 V. Sensor mikro elektroda juga
terbuat dari platinum. Bila tegangan sebesar
tersebut di atas diberikan pada elektroda, maka
arus yang mengalir pada rangkaian akan
dikontrol oleh laju transfer massa dan elektroda
dikatakan sebagai terpolarisasikan (Dimopulous
& Hanratty, 1968).
Persamaan difusi terkendali dapat dituliskan
seperti persamaan 1 sebagai berikut:
C
ν grad C D ΔC
t
(1)
dengan kondisi batas C = 0 pada elektroda dan
C / y 0 pada dinding yang inert.
Medan kecepatan aliran didapatkan dari
persamaan Navier-Stokes seperti ditunjukkan
dalam persamaan 2:
1
C
ν grad ν - grad P ν Δν
ρ
t
Ketebalan difusi menurut Nernst:
D
K
(2)
(3)
Pemberian tegangan pada elektroda untuk
pengujian dan kekurangan muatan dari
elektroda yang disebabkan oleh reaksi,
membangkitkan suatu medan listrik pada
daerah probe. Dengan adanya medan ini, ion
berimigrasi atau berpindah tempat. Efek migrasi
perlu ditekan dengan menambah elektrolit
netral yang berlebihan. Bilamana laju aliran
fluida terlalu besar laju transfer massa dapat
menjadi terlalu cepat untuk mempolarisasir
elektroda. Peningkatan dari laju aliran akan
menaikkan koefisien transfer massa dan jugaa
arus datarnya. Batas dari laju aliran untuk
polarisasi
dapat
ditingkatkan
dengan
mengurangi konsentrasi dari spesies yang
bereaksi di dalam elektrosit. Dengan tidak
adanya spesies yang bereaksi, yaitu triodine,
suatu arus yang sangat kecil satu per sepuluh
mikro ampere dapat muncul pada tegangan di
bawah air terhidrolisa.
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
Koefisien transfer dari suatu elektroda dengan
luas A, ditentukan seperti Persamaan 3 menurut
Tournier dan Florent (1987) sebagai:
K
D
AC0
C
y
y 0
dA
(4)
Secara umum persamaan ini tergantung dari
jumlah variabel yang tak terhingga, yaitu
kecepatan pada seluruh medan difusi. Hal ini
tidak sesuai untuk kegunaan metrologi,
sehingga langkah dasar (fundament) dibuat oleh
Hanratty dan Reiss (1962) yang menunjukkan
bahwa dengan menggunakan mikro elektroda,
jumlah parameter fisis dapat dikurangi.
Dengan syarat batas:
C
= 0 pada elektroda
C '
C0
(5)
C’ = 1
pada medan yang jauh
(6)
pada dinding yang inert
(7)
C '
=0
y
dapat diturunkan besarnya koefisien transfer
yang dinormalisasikan seperti persamaan 8
yang merupakan persamaan rancangan dasar
hubungan untuk pengukuran transfer massa
dinding :
K’ = 0.807 | Sx’ | 1/3
(8)
Sx’ terletak di antara keseluruhan nilai absolut
karena elektroda tidak peka terhadap arah
aliran.
M ETODE PENELITIAN
1. Bahan Penelitian
Bahan yang dipakai untuk penelitian ini adalah
fluida cair (ferro-ferricianida dalam KCL
dengan pelarut air), katoda dengan diameter
bervariasi, anoda, larutan pereaksi, dan
polarogram. Komposisi dari masing-masing
larutan yang digunakan adalah KCL sebanyak
0.33 mol/L (24.629 g/L) dengan bilangan massa
74.55, Ferri sebnayak 2 10-3 mol/L (0.6585
g/L) dengan bilangan massa 329.25 dan Ferro
sebanyak 4 10-3 mol/liter (1.68956 g/L)
dengan bilangan massa 422.39. Medium
pelarutnya digunakan air dengan volume
sebesar 36 liter.
2. Alat Penelitian
Peralatan-peralatan atau komponen-komponen
utama yang digunakan untuk penelitian ini
berupa pompa, pipa PVC, pipa transparan,
katup, alat ukur debit aliran, data akuisisi dan
Personal Computer yang terangkai dalam suatu
unit alat uji seperti diperlihatkan pada gambar
pada Gambar 1.
3. Pelaksanaan Penelitian
Dalam pengukuran ini digunakan elektroda
(katoda) dengan berbagai dimensi (diameter)
terbuat dari platina dengan ukuran penampang
kecil dan anoda yang terbuat dari bahan yang
sama (platina) dengan ukuran jauh lebih besar (
3000-4000 kali lebih besar). Sebagai pereaksi
menggunakan ferri-feerocyanida dalam larutan
KCL, di mana reduksi pada katoda akan
berlangsung sebagai berikut :
Fe(CN ) 36 e Fe(CN ) 64
dan oksidasi terjadi pada anoda.
Untuk
meyakinkan bahwa arus hanya dibatasi oleh
fenomena transfer massa karena difusi, maka
pada awal pengukuran dibuat polarogram yang
merupakan kurva arus (I) terhadap tegangan (V)
antara katoda dan anoda. Hal ini guna
menentukan besarnya tegangan yang harus
diberikan di antara kedua elektroda tersebut.
4. Analisis Data
Sebelum dilakukan pengukuran, terlebih dahulu
akan dilakukan kalibrasi terhadap katoda yang
dipakai,
untuk
menghindari
kesalahan
pengukuran yang diakibatkan oleh adanya
deposit di atas katoda (Indarto, 1986). Kalibrasi
dilakukan pada aliran satu fasa (cair) dengan
cara mengukur beda tekanan yang diakibatkan
oleh gesekan dinding dan arus yang melewati
elektroda. Pengukuran gradien kecepatan
dilakukan pada debit cairan yang tetap untuk
beberapa spesimen katoda dengan berbagai
diameter. Pada setiap kondisi dilakukan
perekaman data sinyal arus selama beberapa
saat dengan frekuensi tertentu. Selanjutnya
pengolahan dilakukan dengan menggunakan
program komputer (Gambar 2).
145
146
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
8
7
4
5
6
Keterangan :
1. Reservoir
2. Pompa Sentrifugal
3. Anoda
4. Sambungan tee
2
5. Katup pengatur Debit
6. Sambungan elbow
7. Rotameter
8. katoda
3
1
GAMBAR 1. Skema alat uji
GAMBAR 2. Diagram peralatan akuisisi data
H ASIL DAN PEMBAHASAN
1. Polarogram
Hasil pengukuran awal terhadap tegangan yang
diberikan kepada katoda dan anoda dan arus
yang dihasilkan, akan diperoleh sebuah grafik
hubungan arus-tegangan, yang disebut
polarogram (Gambar 3). Kurva tersebut terbagi
atas tiga daerah, yaitu daerah pertama, daerah
ini berada antara 0 – 0,25 V, di sini terlihat
bahwa untuk aliran yang tidak berubah
kecepatannya, arus merupakan fungsi dari
tegangan atau dengan kata lain bahwa
besarnya arus dipengaruhi oleh tegangan yang
diberikan. Daerah ke dua, berada antara 0,25 –
0,75 V, adalah daerah dimana besarnya arus
tidak dipengaruhi oleh tegangan yang
diberikan kepada katoda dan anoda, dan dalam
147
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
hal ini arus hanya dipengaruhi oleh kecepatan
aliran saja. Pada daerah ketiga yang berada
antara 0,75 – 1 V, kondisinya mirip dengan
pada daerah pertama yaitu bahwa untuk aliran
yang tidak berubah kecepatannya, besarnya
arus dipengaruhi oleh tegangan yang diberikan
kepada katoda dan anoda. Dengan demikian,
dalam penelitian dengan metoda polarografi ini
maka besarnya tegangan yang harus diberikan
pada kedua elektroda adalah harus diambil
diantara 0,25 – 0,75V, dan dalam penelitian ini
diambil 0,45 V.
8,00
7,00
Arus (I), mA
6,00
5,00
Re = 3155
4,00
Re = 6310
3,00
Re = 8833
2,00
1,00
0,00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Tegangan (V), volt.
GAMBAR 3. Polarogram hubungan antara tegangan katoda-anoda terhadap arus
2. Bentuk Sinyal gesekan dinding
Bentuk sinyal yang terekam untuk kondisi
aliran tertentu, dapat dilihat pada Gambar 4.
Sinyal tersebut (Gambar 4) merupakan sinyal
gradien kecepatan atau gesekan dinding
tipikal.
3. Kalibrasi
Sebelum pengukuran, sebaiknya selalu
dilakukan kalibrasi terhadap katoda yang
dipakai, untuk menghindari adanya kesalahan
pengukuran disebabkan oleh adanya deposit di
atas katoda (Indarto, 1986). Pada penelitian ini
kalibrasi dilakukan pada aliran fasa tunggal
(cair) dengan cara mengukur ΔP yang
diakibatkan oleh gesekan dinding dan arus
yang melewati elektroda, dengan debit
konstan. Dengan diperoleh data ΔP, maka
dapat ditentukan τ. Sehingga didapatkan grafik
kesebandingan antara τ (yang diperoleh dari
pengukuran ΔP) dan arus yang terbaca dari
peralatan akuisisi data. Pada penelitian ini
dilakukan kalibrasi terhadap katoda mulai dari
diameter 0,2 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,8 mm,
1,5 mm dan 3,0 mm.
Dengan telah
diketahuinya garfik hasil kalibrasi untuk
masing-masing diameter atau luas penampang
katoda tersebut di atas, maka hasil pengukuran
dari sistem ini sudah dapat dibaca dan diolah
agar dapat dilakukan analisis berikutnya.
4. Hasil pengukuran arus dan tegangan
geser pada dinding
Gambar 5 menjelaskan hubungan antara hasil
pengukuran arus I (mA) yang terekam sesuai
dengan berjalannya waktu pengukuran, yang
dalam hal ini dibatasi untuk waktu tertentu
selama perekaman data. Dari gambar tersebut
di atas dapat ditarik sebuah informasi bahwa
arus merupakan fungsi dari luas penampang
katoda, terbukti bahwa semakin besar luas
penampang yang ditunjukkan dengan semakin
besarnya diameter katoda, maka arus yang
terukur juga semakin besar.
Gambar 6 menjelaskan hubungan antara
tegangan geser (yang merupakan fungsi dari
gradien kecepatan) dengan luas penampang
katoda (direpresentasikan dengan diameter).
Dari gambar tersebut nampak bahwa
pengukuran dengan katoda yang mempunyai
luas penampang kecil, menghasilkan hasil
pengkuran yang lebih sensitif dibanding
dengan katoda berluas penampang lebih besar.
Pada
luas
penampang
kecil,
nilai
simpangannya cukup besar dan akan mengecil
148
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
seiring dengan meningkatnya luas penampang
katoda.
Sebagaimana Gambar 5, Gambar 7
menjelaskan
hubungan
antara
hasil
pengukuran arus I (mA) yang terekam sesuai
dengan berjalannya waktu pengukuran, dan
bahwa arus merupakan fungsi dari luas
penampang katoda. Dengan membandingkan
Gambar 5 dan 7 dapat dijelaskan bahwa jika
dilihat dari nilai arusnya, maka pada bilangan
reynold yang besar yaitu Re = 6310 atau pada
debit aliran 1 GPM, nilai arus terukur lebih
besar dibandingkan pada Re = 3155 atau pada
debit aliran 0,5 GPM. Hal ini menunjukkan
bahwa besarnya arus juga dipengaruhi oleh
jenis aliran yang sedang berjalan dan atau debit
alirannya.
Penjelasan yang hampir sama berlaku untuk
Gambar 8, bahwa hubungan antara tegangan
geser (yang merupakan fungsi dari gradien
kecepatan) dengan luas penampang katoda
(direpresentasikan dengan diameter) dapat
dijelaskan di sini. Dari gambar tersebut
nampak bahwa pengukuran dengan katoda
yang mempunyai luas penampang besar (d =
1,5 mm dan d = 3,0 mm), menghasilkan hasil
pengkuran yang tidak lebih sensitif dibanding
dengan katoda berluas penampang lebih kecil
yaitu pada d = 0,2 mm, d = 0,4 mm, d = 0,5
mm dan d = 0,8 mm. Pada luas penampang
kecil, nilai simpangannya cukup besar dan
akan mengecil seiring dengan meningkatnya
luas penampang katoda.
G AMBAR 4. Bentuk sinyal gradien kecepatan atau gesekan dinding pada aliran fasa tunggal (cair)
5,0000
Arus (I), mA
4,9000
d=0,2 mm
4,8000
d=0,4 mm
d=0,5 mm
d=0,8 mm
4,7000
d=1,5 mm
d=3,0 mm
4,6000
4,5000
4,4000
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
waktu, x 0,01 detik
GAMBAR 5. Hasil pengukuran arus pada variasi diameter katoda pada Re = 3155
149
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
0,08
Tegangan Geser Dinding, N/m2
0,07
0,07
0,07
d=0,2 mm
d=0,4 mm
0,07
d=0,5 mm
d=0,8 mm
0,07
d=1,5 mm
d=3,0 mm
0,06
0,06
0,06
0,06
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Waktu, x 0,01 detik
G AMBAR 6. Hasil pengukuran tegangan geser pada variasi diameter katoda pada Re = 3155
5,3000
5,2000
Arus (I), mA
5,1000
5,0000
d=0,2 mm
d=0,4 mm
4,9000
d=0,5 mm
4,8000
d=0,8 mm
d=1,5 mm
4,7000
d=3,0 mm
4,6000
4,5000
4,4000
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
waktu, x 0,01 detik
GAMBAR 7. Hasil pengukuran arus pada variasi diameter katoda pada Re = 6310
150
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
Tegangan Geser dinding, N/m2
0,29
0,28
0,28
d=0,2 mm
0,28
d=0,4 mm
d=0,5 mm
d=0,8 mm
0,28
0,28
d=1,5 mm
d=3,0 mm
0,27
0,27
0,27
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
waktu, x 0,1 detik
G AMBAR 8. Hasil pengukuran tegangan geser pada variasi diameter katoda pada Re = 6310
Seperti halnya pada Gambar 5 dan 7, Gambar
9 juga menjelaskan hubungan antara hasil
pengukuran arus I (mA) yang terekam sesuai
dengan berjalannya waktu pengukuran, dan
bahwa arus merupakan fungsi dari luas
penampang katoda. Dengan membandingkan
Gambar 5, 7 dan 9 dapat dijelaskan bahwa jika
dilihat dari nilai arusnya, maka pada bilangan
Reynold yang paling besar besar yaitu Re =
8833 (Q = 1,4 GPM), nilai arus terukur lebih
besar dibandingkan pada Re = 6310 (Q = 1,0
GPM) dan pada Re = 3155 (Q = 0,5 GPM).
Hal ini menunjukkan bahwa besarnya arus
sangat dipengaruhi oleh jenis aliran yang
sedang berjalan dan juga debit alirannya.
Gambar 10 menjelaskan hubungan antara
tegangan geser yang ditimbulkan, untuk
periode waktu tertentu dengan variasi diameter
katoda pada Re yang lebih besar atau dalam
hal ini pada debit aliran yang lebih besar juga,
yaitu Re = 8833 atau pada debit aliran 1,4
GPM. Jika dicermati secara bersamaan,
Gambar 6, 8 dan 10 dapat ditarik kesimpulan
bahwa besarnya tegangan geser dinding juga
dipengaruhi oleh meningkatnya debit aliran.
Dari
hasil
pengukuran
arus
seperti
diperlihatkan pada Gambar 5, 7 dan 9
diperoleh informasi bahwa semakin besar
diameter (luas penampang) katoda maka arus
yang ditimbulkan semakin besar pula. Dari
gambar yang sama, juga didapatkan informasi
bahwa besarnya arus juga dipengaruhi oleh
naik debit aliran zat cair atau kecepatan fluida.
Untuk Gambar 6, 8 dan 10 diperoleh hasil
bahwa pada pengukuran tegangan geser
dinding saluran, luas penampang katoda
berpengaruh terhadap sensitifitas hasil
pengukuran. Dari gambar-gambar tersebut di
atas dapat ditarik hasil analisis bahwa pada
penampang katoda yang kecil, akan
menghasilkan hasil pengukuran tegangan geser
yang semakin baik atau semakin sensitif,
dalam hal ini terjadi pada katoda dengan
diameter d = 0,2 mm.
KESIMPULAN
Berdasarkan uraian pada pembahasan maka
dapat ditarik beberapa kesimpulan akhir
sebagai berikut :
1. Besarnya tegangan geser dinding (yang
merupakan gradien kecepatan) juga
dipengaruhi oleh meningkatnya debit
aliran.
2. Pada pengukuran tegangan geser dinding
saluran,
luas
penampang
katoda
berpengaruh terhadap sensitifitas hasil
pengukuran
3. Pada penampang katoda yang kecil, akan
menghasilkan hasil pengukuran tegangan
geser yang semakin baik atau semakin
sensitif, dalam hal ini terjadi pada katoda
dengan diameter d = 0,2 mm.
151
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
5,5000
Arus (I), mA
5,4000
5,3000
5,2000
d=0,2 mm
5,1000
5,0000
d=0,4 mm
4,9000
4,8000
d=0,8 mm
4,7000
d=3,0 mm
d=0,5 mm
d=1,5 mm
4,6000
4,5000
4,4000
1
4
7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37
waktu, x 0,01 detik
GAMBAR 9. Hasil pengukuran arus pada variasi diameter katoda pada Re = 8833
Tegangan Geser dinding, N/m2
0,3840
0,3820
0,3800
0,3780
d=0,2 mm
0,3760
d=0,4 mm
d=0,5 mm
0,3740
0,3700
d=0,8 mm
d=1,5 mm
0,3680
d=3,0 mm
0,3720
0,3660
0,3640
0,3620
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
waktu, x 0,01 detik
GAMBAR 10. Hasil pengukuran tegangan geser pada variasi diameter katoda pada Re = 8833
DA FTAR PUSTAKA
Cognet, G., Delage, Ph., Dumaine, J.Y.,
Lebouche, M., Martin, M., dan Souhar,
M., (1977), Applications Recentes de la
Polarographie
a
l’Etude
des
Ecoulements
Parietaux,
ActesProceedings Euromech. 90. LEMTAINPL.
Dimopulus, H.G. & Hanratty, T.J. (1968).
Velocity gradients at the wall for flow
around a cylinder for Reynolds numbers
between 60 and 360. Journal of Fluid
Mechanics, 33, 2, 303-319.
doi:10.1017/S0022112068001321
Hanratty, T.J. & Reiss, L.P. (1962).
Measurement of instantaneous rate of
mass transfer to a small sink on a wall,
AIChE Journal, 8, 2, 245–247.
doi:10.1002/aic.690080223
Hanratty, T.J. (1969). The use of
Electrochemical Techniques to study
flow and mass Transfer rates, Int.
Seminar, Herceg-Nov, p 1-13
Hanratty, T. J., & Campbell, J. A. (1983).
Measurement of wall shear stress. In R.
J. Goldstein (Ed.), Fluid mechanics
measurements
(pp.
559–615).
Washington, DC: Hemisphere.
Indarto. (1986). Mesure de Frottement Parietal
en Ecoulement Disphasique Co-Courant
152
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
a Bulles, a Poches et Annulaire, Repport
DEA, LEMTA-INPL. Nancy.
PENULIS:
Indarto. (1995). Pengukuran gradien kecepatan
di dinding dengan metoda elektrokimia.
Jurnal Forum Teknik, 19(1), 87-100.
Sukamta
Paryatmo. (2004), Pengukuran gradien
kecepatan dinding aliran fluida dengan
teknik polarografi. Jurnal Sains dan
Teknologi EMAS, 14(3), 23-30.
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Jalan
Lingkar Selatan, Bantul 55183, Yogyakarta,
Indonesia.
Tournier, C. & Florent, P. (1987). Measures en
Tunnel Hydrodynamuque par Methode
electro-chemique, Advisory Group for
Aerospace Research and Development
(AGARD) Conf. Proc. No. 413 (pp. 211/21-14).
Email: [email protected]
Diskusi untuk makalah ini dibuka hingga 1
Oktober 2009 dan akan diterbitkan dalam
jurnal edisi November 2009.
Vol. 11 No. 2 (November 2008): 143-152
143
Pengaruh Diameter Katoda pada Sensitivitas Pengukuran Gradien Kecepatan dengan
Metode Polarografi
(Effect of Cathode Diameter on Velocity Gradient Measurement Sensitivity Using Polarography Method)
SUKAMTA
A BSTRACT
Wall velocity gradient measurement using polarography gives very accurate output
due to the absence of problem in fluid flow. Therefore this experiment is highly
recommended. Based on the polarogram resulted in the polarography method, the
potential that has to be applied to both electrode is 0.25 – 0.75 Volt, whilst in the
experiment 0.45 is applied. Calibration has been done to single phase flow, by
measuring as a result of by friction between wall and current flow through electrode
at constant flow rate. The ΔP data are used to determine τ. Relation plot between τ
(resulted from ΔP measurement) and current can be obtained from the data
acquisition device. The result of this research shows that the value of wall shear
stress (as velocity gradient) is influenced by the increase of flow rate. Whilst
measurement of wall shear stress shows that the cathode area gives effect on the
sensitivity of the measurement, a small cathode results in better shear stress data
measurement (more sensitive). In this research the best wall shear stress was resulted
in cathode with diameter d=0.2 mm.
Keywords: polarography, electrochemical, cathode, gradient, flow
PENDAHULUAN
Analogi
Reynold
menyatakan
tentang
hubungan antara perpindahan momentum
dengan perpindahan massa, yang pada dasarnya
untuk mengamati prilaku transfer panas
konvektif yang dapat dilakukan dengan
berdasar pada pola aliran, terutama pada daerah
lapis batas. Untuk fluida Newtonian, aliran
fluida dikendalikan oleh persamaan NavierStoke, dengan solusi analitik yang pada
umumnya sulit diselesaikan. Dalam pengukuran
di bidang mekanika fluida, aplikasi teknik
gesekan kulit telah diperkenalkan oleh Hanratty
(1969) dan Hanratty (1983), dan telah
digunakan dan dikembangkan oleh banyak
peneliti untuk berbagai tujuan. Teknik ini
diturunkan dari analisis elektrokimia yaitu
polarografi, yang didasarkan pada pengukuran
koefisien perpindahan elektroda dalam suatu
difusi yang terkendali.
Pengukuran gradien kecepatan dinding dengan
teknik polarografi akan memberikan hasil yang
sangat cermat karena tidak menimbulkan
gangguan pada aliran fluida. Hal ini disebabkan
karena pengindera yang digunakan adalah
mikro probe yang dipasangkan menempel rata
pada permukaan benda padat. Oleh karena itu,
cara eksperimen menjadi salah satu pilihan
untuk mencari jawabannya, dan teknik
polarografi dapat memberikan hasil yang
akurat.
Penelitian ini mempunyai tujuan untuk
mendapatkan data eksperimen mengenai
pengaruh diameter katoda terhadap sensifitas
pengukuran gradien kecepatan dengan metoda
polarografi.
TINJAUAN PUSTAKA
Dalam penelitian yang dilakukan oleh Indarto
(1995), metoda elektrokimia digunakan untuk
pengukuran gradien kecepatan di dinding
saluran. Selanjutnya, bila besaran ini dikalikan
viskositas dinamik fluida yang mengalir, akan
didapat gesekan dinding. Pengukuran dilakukan
pada aliran gas cair searah ke atas dalam
saluran vertikal dengan diameter 12 mm. Fluida
gas berupa nitrogen dan cairannya adalah
saluran ferri-ferrocyanida dan KCL dalam air.
Elektrode dibuat dari platina dengan
144
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
penampang segi empat yang dimensinya (0,1
1) mm2. Dengan menggunakan dua buah
elektroda identik yang dipisahkan dengan pita
isolator tipis, arah aliran di dinding setiap saat
dapat diketahui. Gradien kecepatan diukur
mulai dari aliran gelembung, aliran kantung,
dan aliran film. Hasil pengukuran ini juga
dipakai untuk karakterisasi aliran dua fase
searah ke atas. Kalibrasi dilakukan pada aliran
fase tunggal cair, dengan cara mengukur
perbedaan tekanannya. Dengan menggunakan
dua elektrode tunggal berjarak 0,55 m searah
dengan aliran, pengukuran kecepatan sebuah
kantung gas dapat dilakukan dan hasilnya
sesuai dengan korelasi Nikline.
Metoda polarografi yang didasarkan pada
teknik gesekan kulit dan dikenal juga sebagai
teknik elektrokimia, merupakan metoda
pengukuran yang sangat bermanfaat di bidang
tribometri, seperti menentukan besarnya
gradien kecepatan dinding dari suatu aliran
fluida yang mengalir melalui benda padat. Di
dalam kasus perpindahan panas konvektif,
besarnya gradien kecepatan dinding diperlukan
untuk menghitung laju perpindahan panasnya,
didasarkan pada analogi Reynold. Untuk
melakukan pengukuran dengan metode ini,
diperlukan kanal hidrolik (disebut juga kanal
hidrodinamik) dengan fluida yang mempunyai
karakteristik tertentu. Teknik ini sudah terbukti
sangat unggul, karena instrumentasinya tidak
menimbulkan gangguan pada aliran fluida
(Paryatmo, 2004)
Penggunaan metode electrochemical pada zat
cair yang mengalir di dalam saluran pipa
horisontal pernah dilakukan oleh Hanratty dan
Reiss (1962), Cognet, dkk. (1977). Larutan
polarografi yang digunakan harus fluida
Newtonian dengan memilki sifat tertentu.
Fluida harus beraksi secara elektrokimia pada
suatu beda tegangan di mana reaksi lain tidak
terjadi. Reaksi kimia harus reversible dan
berlangsung cepat serta larutan fluida harus
memiliki konstanta laju reaksi yang tinggi. Di
samping
itu
juga
disyaratkan
dapat
menghasilkan arus listrik maksimum untuk
jumlah minimum ion yang terangkut. Larutan
juga harus stabil dengan polarogram yang
memiliki tingkat batas jelas dan tidak
menghasilkan pengaruh negatif pada elektroda
atau pada sistem, seperti meracuni probe atau
menyebabkan korosi. Larutan juga harus mudah
digunakan dalam aliran ulang, tidak beracun,
tidak mudah terbakar dan mudah dalam
penyimpanannya. Tambah lagi, larutan ini
harus mengandung ion yang non reaktif yang
menghilangkan efek migrasi. Untuk menjamin
respon frekuensi yang baik, koefisien fifusi
harus besar tanpa membiarkan terjadinya
lapisan difusi tebal yang menutupi.
Anoda dari bahan platinum yang mempunyai
bidang permukaan yang luas dan digunakan
sebagai potensial acuan, ditempatkan di dalam
reservoar dan dijaga tetap pada suatu potensial
sebesar – 4 V. Sensor mikro elektroda juga
terbuat dari platinum. Bila tegangan sebesar
tersebut di atas diberikan pada elektroda, maka
arus yang mengalir pada rangkaian akan
dikontrol oleh laju transfer massa dan elektroda
dikatakan sebagai terpolarisasikan (Dimopulous
& Hanratty, 1968).
Persamaan difusi terkendali dapat dituliskan
seperti persamaan 1 sebagai berikut:
C
ν grad C D ΔC
t
(1)
dengan kondisi batas C = 0 pada elektroda dan
C / y 0 pada dinding yang inert.
Medan kecepatan aliran didapatkan dari
persamaan Navier-Stokes seperti ditunjukkan
dalam persamaan 2:
1
C
ν grad ν - grad P ν Δν
ρ
t
Ketebalan difusi menurut Nernst:
D
K
(2)
(3)
Pemberian tegangan pada elektroda untuk
pengujian dan kekurangan muatan dari
elektroda yang disebabkan oleh reaksi,
membangkitkan suatu medan listrik pada
daerah probe. Dengan adanya medan ini, ion
berimigrasi atau berpindah tempat. Efek migrasi
perlu ditekan dengan menambah elektrolit
netral yang berlebihan. Bilamana laju aliran
fluida terlalu besar laju transfer massa dapat
menjadi terlalu cepat untuk mempolarisasir
elektroda. Peningkatan dari laju aliran akan
menaikkan koefisien transfer massa dan jugaa
arus datarnya. Batas dari laju aliran untuk
polarisasi
dapat
ditingkatkan
dengan
mengurangi konsentrasi dari spesies yang
bereaksi di dalam elektrosit. Dengan tidak
adanya spesies yang bereaksi, yaitu triodine,
suatu arus yang sangat kecil satu per sepuluh
mikro ampere dapat muncul pada tegangan di
bawah air terhidrolisa.
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
Koefisien transfer dari suatu elektroda dengan
luas A, ditentukan seperti Persamaan 3 menurut
Tournier dan Florent (1987) sebagai:
K
D
AC0
C
y
y 0
dA
(4)
Secara umum persamaan ini tergantung dari
jumlah variabel yang tak terhingga, yaitu
kecepatan pada seluruh medan difusi. Hal ini
tidak sesuai untuk kegunaan metrologi,
sehingga langkah dasar (fundament) dibuat oleh
Hanratty dan Reiss (1962) yang menunjukkan
bahwa dengan menggunakan mikro elektroda,
jumlah parameter fisis dapat dikurangi.
Dengan syarat batas:
C
= 0 pada elektroda
C '
C0
(5)
C’ = 1
pada medan yang jauh
(6)
pada dinding yang inert
(7)
C '
=0
y
dapat diturunkan besarnya koefisien transfer
yang dinormalisasikan seperti persamaan 8
yang merupakan persamaan rancangan dasar
hubungan untuk pengukuran transfer massa
dinding :
K’ = 0.807 | Sx’ | 1/3
(8)
Sx’ terletak di antara keseluruhan nilai absolut
karena elektroda tidak peka terhadap arah
aliran.
M ETODE PENELITIAN
1. Bahan Penelitian
Bahan yang dipakai untuk penelitian ini adalah
fluida cair (ferro-ferricianida dalam KCL
dengan pelarut air), katoda dengan diameter
bervariasi, anoda, larutan pereaksi, dan
polarogram. Komposisi dari masing-masing
larutan yang digunakan adalah KCL sebanyak
0.33 mol/L (24.629 g/L) dengan bilangan massa
74.55, Ferri sebnayak 2 10-3 mol/L (0.6585
g/L) dengan bilangan massa 329.25 dan Ferro
sebanyak 4 10-3 mol/liter (1.68956 g/L)
dengan bilangan massa 422.39. Medium
pelarutnya digunakan air dengan volume
sebesar 36 liter.
2. Alat Penelitian
Peralatan-peralatan atau komponen-komponen
utama yang digunakan untuk penelitian ini
berupa pompa, pipa PVC, pipa transparan,
katup, alat ukur debit aliran, data akuisisi dan
Personal Computer yang terangkai dalam suatu
unit alat uji seperti diperlihatkan pada gambar
pada Gambar 1.
3. Pelaksanaan Penelitian
Dalam pengukuran ini digunakan elektroda
(katoda) dengan berbagai dimensi (diameter)
terbuat dari platina dengan ukuran penampang
kecil dan anoda yang terbuat dari bahan yang
sama (platina) dengan ukuran jauh lebih besar (
3000-4000 kali lebih besar). Sebagai pereaksi
menggunakan ferri-feerocyanida dalam larutan
KCL, di mana reduksi pada katoda akan
berlangsung sebagai berikut :
Fe(CN ) 36 e Fe(CN ) 64
dan oksidasi terjadi pada anoda.
Untuk
meyakinkan bahwa arus hanya dibatasi oleh
fenomena transfer massa karena difusi, maka
pada awal pengukuran dibuat polarogram yang
merupakan kurva arus (I) terhadap tegangan (V)
antara katoda dan anoda. Hal ini guna
menentukan besarnya tegangan yang harus
diberikan di antara kedua elektroda tersebut.
4. Analisis Data
Sebelum dilakukan pengukuran, terlebih dahulu
akan dilakukan kalibrasi terhadap katoda yang
dipakai,
untuk
menghindari
kesalahan
pengukuran yang diakibatkan oleh adanya
deposit di atas katoda (Indarto, 1986). Kalibrasi
dilakukan pada aliran satu fasa (cair) dengan
cara mengukur beda tekanan yang diakibatkan
oleh gesekan dinding dan arus yang melewati
elektroda. Pengukuran gradien kecepatan
dilakukan pada debit cairan yang tetap untuk
beberapa spesimen katoda dengan berbagai
diameter. Pada setiap kondisi dilakukan
perekaman data sinyal arus selama beberapa
saat dengan frekuensi tertentu. Selanjutnya
pengolahan dilakukan dengan menggunakan
program komputer (Gambar 2).
145
146
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
8
7
4
5
6
Keterangan :
1. Reservoir
2. Pompa Sentrifugal
3. Anoda
4. Sambungan tee
2
5. Katup pengatur Debit
6. Sambungan elbow
7. Rotameter
8. katoda
3
1
GAMBAR 1. Skema alat uji
GAMBAR 2. Diagram peralatan akuisisi data
H ASIL DAN PEMBAHASAN
1. Polarogram
Hasil pengukuran awal terhadap tegangan yang
diberikan kepada katoda dan anoda dan arus
yang dihasilkan, akan diperoleh sebuah grafik
hubungan arus-tegangan, yang disebut
polarogram (Gambar 3). Kurva tersebut terbagi
atas tiga daerah, yaitu daerah pertama, daerah
ini berada antara 0 – 0,25 V, di sini terlihat
bahwa untuk aliran yang tidak berubah
kecepatannya, arus merupakan fungsi dari
tegangan atau dengan kata lain bahwa
besarnya arus dipengaruhi oleh tegangan yang
diberikan. Daerah ke dua, berada antara 0,25 –
0,75 V, adalah daerah dimana besarnya arus
tidak dipengaruhi oleh tegangan yang
diberikan kepada katoda dan anoda, dan dalam
147
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
hal ini arus hanya dipengaruhi oleh kecepatan
aliran saja. Pada daerah ketiga yang berada
antara 0,75 – 1 V, kondisinya mirip dengan
pada daerah pertama yaitu bahwa untuk aliran
yang tidak berubah kecepatannya, besarnya
arus dipengaruhi oleh tegangan yang diberikan
kepada katoda dan anoda. Dengan demikian,
dalam penelitian dengan metoda polarografi ini
maka besarnya tegangan yang harus diberikan
pada kedua elektroda adalah harus diambil
diantara 0,25 – 0,75V, dan dalam penelitian ini
diambil 0,45 V.
8,00
7,00
Arus (I), mA
6,00
5,00
Re = 3155
4,00
Re = 6310
3,00
Re = 8833
2,00
1,00
0,00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Tegangan (V), volt.
GAMBAR 3. Polarogram hubungan antara tegangan katoda-anoda terhadap arus
2. Bentuk Sinyal gesekan dinding
Bentuk sinyal yang terekam untuk kondisi
aliran tertentu, dapat dilihat pada Gambar 4.
Sinyal tersebut (Gambar 4) merupakan sinyal
gradien kecepatan atau gesekan dinding
tipikal.
3. Kalibrasi
Sebelum pengukuran, sebaiknya selalu
dilakukan kalibrasi terhadap katoda yang
dipakai, untuk menghindari adanya kesalahan
pengukuran disebabkan oleh adanya deposit di
atas katoda (Indarto, 1986). Pada penelitian ini
kalibrasi dilakukan pada aliran fasa tunggal
(cair) dengan cara mengukur ΔP yang
diakibatkan oleh gesekan dinding dan arus
yang melewati elektroda, dengan debit
konstan. Dengan diperoleh data ΔP, maka
dapat ditentukan τ. Sehingga didapatkan grafik
kesebandingan antara τ (yang diperoleh dari
pengukuran ΔP) dan arus yang terbaca dari
peralatan akuisisi data. Pada penelitian ini
dilakukan kalibrasi terhadap katoda mulai dari
diameter 0,2 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,8 mm,
1,5 mm dan 3,0 mm.
Dengan telah
diketahuinya garfik hasil kalibrasi untuk
masing-masing diameter atau luas penampang
katoda tersebut di atas, maka hasil pengukuran
dari sistem ini sudah dapat dibaca dan diolah
agar dapat dilakukan analisis berikutnya.
4. Hasil pengukuran arus dan tegangan
geser pada dinding
Gambar 5 menjelaskan hubungan antara hasil
pengukuran arus I (mA) yang terekam sesuai
dengan berjalannya waktu pengukuran, yang
dalam hal ini dibatasi untuk waktu tertentu
selama perekaman data. Dari gambar tersebut
di atas dapat ditarik sebuah informasi bahwa
arus merupakan fungsi dari luas penampang
katoda, terbukti bahwa semakin besar luas
penampang yang ditunjukkan dengan semakin
besarnya diameter katoda, maka arus yang
terukur juga semakin besar.
Gambar 6 menjelaskan hubungan antara
tegangan geser (yang merupakan fungsi dari
gradien kecepatan) dengan luas penampang
katoda (direpresentasikan dengan diameter).
Dari gambar tersebut nampak bahwa
pengukuran dengan katoda yang mempunyai
luas penampang kecil, menghasilkan hasil
pengkuran yang lebih sensitif dibanding
dengan katoda berluas penampang lebih besar.
Pada
luas
penampang
kecil,
nilai
simpangannya cukup besar dan akan mengecil
148
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
seiring dengan meningkatnya luas penampang
katoda.
Sebagaimana Gambar 5, Gambar 7
menjelaskan
hubungan
antara
hasil
pengukuran arus I (mA) yang terekam sesuai
dengan berjalannya waktu pengukuran, dan
bahwa arus merupakan fungsi dari luas
penampang katoda. Dengan membandingkan
Gambar 5 dan 7 dapat dijelaskan bahwa jika
dilihat dari nilai arusnya, maka pada bilangan
reynold yang besar yaitu Re = 6310 atau pada
debit aliran 1 GPM, nilai arus terukur lebih
besar dibandingkan pada Re = 3155 atau pada
debit aliran 0,5 GPM. Hal ini menunjukkan
bahwa besarnya arus juga dipengaruhi oleh
jenis aliran yang sedang berjalan dan atau debit
alirannya.
Penjelasan yang hampir sama berlaku untuk
Gambar 8, bahwa hubungan antara tegangan
geser (yang merupakan fungsi dari gradien
kecepatan) dengan luas penampang katoda
(direpresentasikan dengan diameter) dapat
dijelaskan di sini. Dari gambar tersebut
nampak bahwa pengukuran dengan katoda
yang mempunyai luas penampang besar (d =
1,5 mm dan d = 3,0 mm), menghasilkan hasil
pengkuran yang tidak lebih sensitif dibanding
dengan katoda berluas penampang lebih kecil
yaitu pada d = 0,2 mm, d = 0,4 mm, d = 0,5
mm dan d = 0,8 mm. Pada luas penampang
kecil, nilai simpangannya cukup besar dan
akan mengecil seiring dengan meningkatnya
luas penampang katoda.
G AMBAR 4. Bentuk sinyal gradien kecepatan atau gesekan dinding pada aliran fasa tunggal (cair)
5,0000
Arus (I), mA
4,9000
d=0,2 mm
4,8000
d=0,4 mm
d=0,5 mm
d=0,8 mm
4,7000
d=1,5 mm
d=3,0 mm
4,6000
4,5000
4,4000
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
waktu, x 0,01 detik
GAMBAR 5. Hasil pengukuran arus pada variasi diameter katoda pada Re = 3155
149
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
0,08
Tegangan Geser Dinding, N/m2
0,07
0,07
0,07
d=0,2 mm
d=0,4 mm
0,07
d=0,5 mm
d=0,8 mm
0,07
d=1,5 mm
d=3,0 mm
0,06
0,06
0,06
0,06
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Waktu, x 0,01 detik
G AMBAR 6. Hasil pengukuran tegangan geser pada variasi diameter katoda pada Re = 3155
5,3000
5,2000
Arus (I), mA
5,1000
5,0000
d=0,2 mm
d=0,4 mm
4,9000
d=0,5 mm
4,8000
d=0,8 mm
d=1,5 mm
4,7000
d=3,0 mm
4,6000
4,5000
4,4000
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
waktu, x 0,01 detik
GAMBAR 7. Hasil pengukuran arus pada variasi diameter katoda pada Re = 6310
150
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
Tegangan Geser dinding, N/m2
0,29
0,28
0,28
d=0,2 mm
0,28
d=0,4 mm
d=0,5 mm
d=0,8 mm
0,28
0,28
d=1,5 mm
d=3,0 mm
0,27
0,27
0,27
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
waktu, x 0,1 detik
G AMBAR 8. Hasil pengukuran tegangan geser pada variasi diameter katoda pada Re = 6310
Seperti halnya pada Gambar 5 dan 7, Gambar
9 juga menjelaskan hubungan antara hasil
pengukuran arus I (mA) yang terekam sesuai
dengan berjalannya waktu pengukuran, dan
bahwa arus merupakan fungsi dari luas
penampang katoda. Dengan membandingkan
Gambar 5, 7 dan 9 dapat dijelaskan bahwa jika
dilihat dari nilai arusnya, maka pada bilangan
Reynold yang paling besar besar yaitu Re =
8833 (Q = 1,4 GPM), nilai arus terukur lebih
besar dibandingkan pada Re = 6310 (Q = 1,0
GPM) dan pada Re = 3155 (Q = 0,5 GPM).
Hal ini menunjukkan bahwa besarnya arus
sangat dipengaruhi oleh jenis aliran yang
sedang berjalan dan juga debit alirannya.
Gambar 10 menjelaskan hubungan antara
tegangan geser yang ditimbulkan, untuk
periode waktu tertentu dengan variasi diameter
katoda pada Re yang lebih besar atau dalam
hal ini pada debit aliran yang lebih besar juga,
yaitu Re = 8833 atau pada debit aliran 1,4
GPM. Jika dicermati secara bersamaan,
Gambar 6, 8 dan 10 dapat ditarik kesimpulan
bahwa besarnya tegangan geser dinding juga
dipengaruhi oleh meningkatnya debit aliran.
Dari
hasil
pengukuran
arus
seperti
diperlihatkan pada Gambar 5, 7 dan 9
diperoleh informasi bahwa semakin besar
diameter (luas penampang) katoda maka arus
yang ditimbulkan semakin besar pula. Dari
gambar yang sama, juga didapatkan informasi
bahwa besarnya arus juga dipengaruhi oleh
naik debit aliran zat cair atau kecepatan fluida.
Untuk Gambar 6, 8 dan 10 diperoleh hasil
bahwa pada pengukuran tegangan geser
dinding saluran, luas penampang katoda
berpengaruh terhadap sensitifitas hasil
pengukuran. Dari gambar-gambar tersebut di
atas dapat ditarik hasil analisis bahwa pada
penampang katoda yang kecil, akan
menghasilkan hasil pengukuran tegangan geser
yang semakin baik atau semakin sensitif,
dalam hal ini terjadi pada katoda dengan
diameter d = 0,2 mm.
KESIMPULAN
Berdasarkan uraian pada pembahasan maka
dapat ditarik beberapa kesimpulan akhir
sebagai berikut :
1. Besarnya tegangan geser dinding (yang
merupakan gradien kecepatan) juga
dipengaruhi oleh meningkatnya debit
aliran.
2. Pada pengukuran tegangan geser dinding
saluran,
luas
penampang
katoda
berpengaruh terhadap sensitifitas hasil
pengukuran
3. Pada penampang katoda yang kecil, akan
menghasilkan hasil pengukuran tegangan
geser yang semakin baik atau semakin
sensitif, dalam hal ini terjadi pada katoda
dengan diameter d = 0,2 mm.
151
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
5,5000
Arus (I), mA
5,4000
5,3000
5,2000
d=0,2 mm
5,1000
5,0000
d=0,4 mm
4,9000
4,8000
d=0,8 mm
4,7000
d=3,0 mm
d=0,5 mm
d=1,5 mm
4,6000
4,5000
4,4000
1
4
7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37
waktu, x 0,01 detik
GAMBAR 9. Hasil pengukuran arus pada variasi diameter katoda pada Re = 8833
Tegangan Geser dinding, N/m2
0,3840
0,3820
0,3800
0,3780
d=0,2 mm
0,3760
d=0,4 mm
d=0,5 mm
0,3740
0,3700
d=0,8 mm
d=1,5 mm
0,3680
d=3,0 mm
0,3720
0,3660
0,3640
0,3620
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
waktu, x 0,01 detik
GAMBAR 10. Hasil pengukuran tegangan geser pada variasi diameter katoda pada Re = 8833
DA FTAR PUSTAKA
Cognet, G., Delage, Ph., Dumaine, J.Y.,
Lebouche, M., Martin, M., dan Souhar,
M., (1977), Applications Recentes de la
Polarographie
a
l’Etude
des
Ecoulements
Parietaux,
ActesProceedings Euromech. 90. LEMTAINPL.
Dimopulus, H.G. & Hanratty, T.J. (1968).
Velocity gradients at the wall for flow
around a cylinder for Reynolds numbers
between 60 and 360. Journal of Fluid
Mechanics, 33, 2, 303-319.
doi:10.1017/S0022112068001321
Hanratty, T.J. & Reiss, L.P. (1962).
Measurement of instantaneous rate of
mass transfer to a small sink on a wall,
AIChE Journal, 8, 2, 245–247.
doi:10.1002/aic.690080223
Hanratty, T.J. (1969). The use of
Electrochemical Techniques to study
flow and mass Transfer rates, Int.
Seminar, Herceg-Nov, p 1-13
Hanratty, T. J., & Campbell, J. A. (1983).
Measurement of wall shear stress. In R.
J. Goldstein (Ed.), Fluid mechanics
measurements
(pp.
559–615).
Washington, DC: Hemisphere.
Indarto. (1986). Mesure de Frottement Parietal
en Ecoulement Disphasique Co-Courant
152
Sukamta/ Semesta Teknika Vol. 11 No. 2 (2008): 143-152
a Bulles, a Poches et Annulaire, Repport
DEA, LEMTA-INPL. Nancy.
PENULIS:
Indarto. (1995). Pengukuran gradien kecepatan
di dinding dengan metoda elektrokimia.
Jurnal Forum Teknik, 19(1), 87-100.
Sukamta
Paryatmo. (2004), Pengukuran gradien
kecepatan dinding aliran fluida dengan
teknik polarografi. Jurnal Sains dan
Teknologi EMAS, 14(3), 23-30.
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Jalan
Lingkar Selatan, Bantul 55183, Yogyakarta,
Indonesia.
Tournier, C. & Florent, P. (1987). Measures en
Tunnel Hydrodynamuque par Methode
electro-chemique, Advisory Group for
Aerospace Research and Development
(AGARD) Conf. Proc. No. 413 (pp. 211/21-14).
Email: [email protected]
Diskusi untuk makalah ini dibuka hingga 1
Oktober 2009 dan akan diterbitkan dalam
jurnal edisi November 2009.